Полумостовой преобразователь

Техническое задание

 

Источник питания.

Входные параметры: 3×380В +10%-15%, 50Гц

Выходные параметры: 1000В±20В, 25А. 
Содержание

 

1. Введение         3
2. Обзор литературы       4
3. Выбор и обоснование структурной схемы   11 
4. Выбор и обоснование принципиальной схемы  13
5. Расчет принципиальной схемы     20
6. Заключение        44
7. Список литературы       45
8. Приложения        46
9. Схема электрическая принципиальная    58
10. Спецификация элементов      59

 

1. Введение

 

Любое электронное средство можно  представить как совокупность нескольких устройств. Неотъемлемой частью любого электронного средства является источник питания.

Только правильно спроектированный и сконструированный источник электропитания способен обеспечить нормальную работу электронного средства за все время  его жизненного цикла. Государственными стандартами дано определение источника электропитания как устройства, преобразующего поступающее на электронное средство напряжение и ток до оговоренных в технической документации номиналов, показателей стабильности и надежности. Именно этот вид источников электропитания наиболее распространен.

Источники электропитания электронных средств содержат функциональные узлы, которые в зависимости от назначения обеспечивают изменение  уровня выходного напряжения, выпрямление, инвертирование, стабилизацию, фильтрацию, защиту, усиления или комбинацию различных функций.

 

2. Обзор литературы

 

Источники питания, применяемые в силовой электронике, можно разделить на линейные и импульсные. Линейные источники питания имеют много полезных свойств, таких как: простота, низкие выходные пульсации и шум, хорошие значения нестабильности по напряжению и току, главным их недостатком является низкий КПД.

Однако импульсные источники  питания являются более популярными  из-за высокой эффективности и  высокой удельной мощности. При сравнении линейных и импульсных источников питания можно сделать следующие выводы. Нестабильность по напряжению и току обычно лучше у линенйых источников питания, но в импульсных источниках часто используются линейные выходные стабилизаторы, улучшающие стабильность выходного напряжения. Импульсные источники также имеют большую длительность переходных процессов, чем линейные, но имеют намного большее время удержания. Также импульсные источники питания имеют более широкий диапазон входных напряжений.

По типу входного и  выходного напряжений импульсные источники  питания можно разделить на:

• AC/AC – конверторы;
• AC/DC – конверторы;
• DC/DC – конверторы;
• DC/AC – конверторы.

Условная классификация  импульсных преобразователей напряжения по схеме построения приведена в таблице 1.

Общий принцип действия импульсных ИП  заключается в следующем:

1. Сетевое напряжение преобразуется в высокое постоянное. Оно поступает на первичную обмотку трансформатора через сильноточный полупроводниковый ключ.

 

Таблица 1 – Классификация импульсных преобразователей по схеме построения

Импульсные  преобразователи
Емкостные	Индуктивные преобразователи
	Без гальванической развязки			С гальванической развязкой				Резонансные
	Повышающие	Понижающие	Инвертирующие	Однотактные		Двухтактные
				Прямоходовые	Обратноходовые	Мостовые	Полумостовые

 

 

2. Ключ коммутирует напряжение на первичной обмотке с высокой частотой, гораздо более высокой, чем частота сетевого напряжения. Это позволяет  существенно  сократить  габариты и вес трансформатора, а так же элементов фильтра.
3. Электронный ключ в любой момент времени находится либо в открытом, либо в закрытом состоянии. Он никогда не находится в  «активном»  состоянии. Поэтому на ключе рассеивается  существенно меньшая мощность, чем на проходном транзисторе линейного источника питания.
4. Высокочастотное напряжение на первичной обмотке трансформатора передается во вторичную обмотку. Во вторичную обмотку включаются фильтрующие цепи, а также цепь обратной связи.
5. Цепь обратной связи через гальваническую развязку управляет скважностью включения электронного ключа, обеспечивая поддержание выходного напряжения на заданном уровне.

Обратноходовой  преобразователь.

Является наиболее распространенной схемой маломощных преобразователей (до 150 Вт) из-за простоты схемы и низкой стоимости. С понижением выходного напряжения область оптимального применения схемы смещается в область меньших мощностей. Причина – большие импульсные токи на вторичной стороне.

Рис. 2.1 – Обратноходовой преобразователь.

 

Когда ключ проводит, в первичной обмотке ток повышается линейно. Трансформатор разработан таким образом, чтобы иметь высокую индуктивность и запасти энергию. Полярность обмоток гарантирует, что диод смещен обратно в течение этого периода – во вторичной обмотке при открытом ключе ток не течет, так как его блокирует диод. Ток в нагрузку в течение этого периода поступает через конденсатор С2.

Когда ключ  закрывается, магнитный поток вызывает возникновение  обратного напряжения на вторичной  обмотке и тока, который течет  к нагрузке и заряжает конденсатор C2. Энергия запасается в поле трансформатора в течение открытого периода ключа Q1 и передается в нагрузку в период обратного хода. Конденсатор C2 поддерживает напряжение на нагрузке в течение периода открытого ключа.

Прямоходовой преобразователь.

Рис. 2.2 – Прямоходовой преобразователь

Когда переключающий  транзистор  закрывается, прекращение  тока в обмотке приводит к возникновению  обратного напряжения во вторичной  обмотке. D2 сейчас блокирует прохождение  тока, а D3 проводит, что позволяет энергии, накопленной в L, разрядиться через нагрузку.

Третья обмотка позволяет  энергии, накопленной в трансформаторе во время цикла включения, возвратиться во входную цепь постоянного тока через диод D1.

Дополнительная обмотка  трансформатора прямоходового преобразователя  гарантирует, что к моменту включения ключа магнитное поле сердечника трансформатора нулевое. При отсутствии дополнительной обмотки после нескольких периодов переключения сердечник трансформатора войдет в насыщение, ток первичной обмотки чрезмерно увеличится,  таким образом, ключ  (то есть  транзистор) выйдет из строя.

Прямоходовый преобразователь  является эффективным при мощностях  от 100 до 250 ватт. Прямоходовый преобразователь  является более сложным чем обратноходовый, однако более эффективен при низких выходных напряжениях.

Двухтактный преобразователь.

Рис. 2.3 – Двухтактный преобразователь

 

Двухтактный преобразователь относится  к числу прямоходовых. Как показано на схеме выше, когда ключ Q1 включен, ток течёт через верхнюю половину первичной обмотки T1 и магнитное поле в сердечнике T1 растет. Растущее магнитное поле в T1 индуцирует напряжение во вторичной обмотке T1 такой полярности, что диод D2 смещён в прямом, а D1 – в обратном направлении. D2 проводит и заряжает выходной конденсатор C2 через дроссель L1. L1 и C2 составляют схему фильтра.

Когда ключ Q1 выключается, магнитное  поле в  трансформаторе T1 спадает, и  после времени паузы (зависящего от скважности ШИМ), Q2 включается, ток  течёт через нижнюю половину первичной обмотки T1 и магнитное поле в сердечнике T1 растёт в противоположном направлении. Растущее магнитное поле в T1 индуцирует напряжение во вторичной обмотке T1 такой полярности, что диод D1 смещён в прямом, а D2 – в обратном направлении. D1 проводит и  заряжает выходной конденсатор C2 через дроссель L1.

После окончания мёртвого времени  включается ключ Q1 и процесс повторяется.

Полумостовой  преобразователь.

Рис. 2.4 – Полумостовой преобразователь.

 

Полумостовой преобразователь  подобен двухтактному преобразователю, только не требуется делать отвод от середины первичной обмотки. Изменение направления магнитного поля достигается изменением направление тока первичной обмотки. Схема управления полумостового преобразователя подобна схеме управления двухтактного преобразователя.

Некоторые из преимуществ  полумостового преобразователя:

• Маленькие магнитные сердечники;
• Нет магнитного промежутка, поэтому низкое магнитное поле рассеяния;
• Частота вторичных цепей равна двойной частоте переключений. Маленькие компоненты фильтра (L и C) во вторичных цепях, так как они работают на двойной частоте, и нет таких импульсных токов, как в обратноходовой схеме:
• Низкая выходная пульсация и шум;
• Относительно низкий излучаемый шум, особенно, если вторичные катушки индуктивности –  тороидальные ядра  (магнитное поле замкнуто в сердечнике).

При изменении напряжения сети в рабочем диапазоне и  при изменении нагрузки от 25 % до 100 % выходные напряжения меняются на ±0,5 %.

Недостаток – поскольку  данный преобразователь работает на половинном выпрямленном напряжении, ток коллектора переключающих транзисторов вдвое выше тока коллектора транзисторов по сравнению с двухтактной схемой.

Мостовой преобразователь.

Рис. 2.5 – Мостовой преобразователь.

 

Мостовой преобразователь подобен  двухтактному преобразователю, только не требуется делать отвод от середины первичной обмотки. Изменение направления магнитного поля достигается изменением направление тока первичной обмотки.

Диагональные пары  транзисторов поочередно проводят,  таким образом,  достигается изменение направления  тока  в  первичной обмотке  трансформатора. Это можно пояснить следующим образом - когда включены ключи Q1 и Q4, ток будет течь “вниз” через первичную обмотку трансформатора (втекать в начало обмотки), а когда включены ключи Q2 и Q3, ток будет течь “вверх”.

Схема управления работает так же, как и для двухтактного и полумостового  преобразователя, за исключением того, что надо управлять четырьмя транзисторами, а не двумя.

Некоторые из преимуществ  мостового преобразователя:

Токи и обратные напряжения транзисторов меньше по сравнению с другими схемами;

Недостаток – использование  четырёх  транзисторов, каждый из которых  должен быть гальванически развязан от схемы управления, делает эту схему сложной и дорогой.

 

3. Выбор и обоснование структурной схемы

 

Структурная схема источника  питания имеет вид:

 

 

Рис. 3.1 – Структурная схема

 

На схеме:

В1 – выпрямитель сетевого напряжения;

Ф1 – фильтр;

ПМИ – полумостовой инвертор;

Тр – трансформатор;

В2 – выпрямитель напряжения инвертора;

Ф2 – фильтр;

ЦОС – цепь обратной связи;

ШИМ – блок широтно-импульсной модуляции;

ФИ – формирователь импульсов на ключевые элементы инвертора;

ВИП – вспомогательный источник питания.

Описание структурной  схемы:

Напряжение трехфазной сети поступает на схему выпрямителя В1 и фильтр Ф1, тем самым формируется постоянное напряжение на входе блоку полумостового инвертора ПМИ. На выходе инвертора формируется переменное импульсное напряжение, типа меандра. Так как выходная мощность источника питания достаточно велика, следовательно, необходимо обеспечить гальваническую развязку выходных каскадов от входной сети. Эту функцию выполняет трансформатор Тр. Для получения на выходе постоянного напряжения сигнал с выхода трансформатора поступает на выпрямитель В2 и фильтр Ф2.

Для обеспечения на выходе стабильного  напряжения в схеме организована цепь обратной связи ЦОС, которая  формирует напряжение для блока  широтно-импульсной модуляции ШИМ. ШИМ производит сравнение сигнала  обратной связи с опорным напряжением, регулируя тем самым длительность импульсов управления ключевыми элементами блока инвертора. Для гарантированного отпирания силовых ключей схемы инвертора импульсы управления с ШИМ поступают на блок формирователя импульсов, который обеспечивает достаточную мощность для отпирания ключей.

Вспомогательный источник питания  формирует гальванически развязанные  напряжения питания для блоков ШИМ  и ФИ.

 

4. Выбор и обоснование принципиальной схемы

4.1 Выбор схемы выпрямителя сетевого напряжения

Выпрямитель сетевого напряжения организован по мостовой схеме.

Рис. 4.1 – Схема мостового трехфазного выпрямителя